강철은 현대 제조업에서 가장 필수적인 엔지니어링 소재 중 하나입니다. 강철의 특성은 화학적 조성, 순도, 야금 반응, 응고 거동 및 후속 열-기계적 처리에 의해 결정됩니다. 설계자와 제조 엔지니어는 강철이 어떻게 만들어지는지 이해하면 재료 선택, 주조 타당성 및 비용 평가에서 더 나은 결정을 내리는 데 도움이 됩니다.
스틸이란 무엇인가요?
강철은 0.02~2.1% 탄소를 함유한 철 기반 합금으로 성능 요구 사항에 따라 크롬, 니켈, 몰리브덴, 망간, 바나듐 또는 니오븀과 같은 추가 합금 원소가 사용됩니다. 최종 특성은 조성뿐만 아니라 산소 함량, 내포물 형태, 입자 구조, 열처리 이력에 의해서도 영향을 받습니다. 따라서 제강은 조성 설계, 순도 제어 및 미세 구조 엔지니어링에 중점을 둔 시스템입니다.
제철의 간략한 역사
19세기 베세머 변환기가 도입된 이후 제강은 단철을 대체하고 두 가지 주요 원료 경로를 갖춘 현대적인 야금 시스템으로 발전했습니다:
- 광석 기반 경로: 철광석은 용광로에서 뜨거운 금속으로 환원된 다음 빠른 탈탄 작업을 위해 기본 산소로(BOF)에서 정제됩니다.
- 스크랩 기반 경로: 고철 또는 직접 환원철(DRI)을 전기 아크로(EAF)에서 녹이고 조성을 조정하여 유연성을 높이고 탄소 배출량을 낮출 수 있습니다.
저탄소 야금술의 발전과 함께, DRI는 EAF 경로에서 점점 더 중요한 철 단위가 되었습니다.를 사용하여 철강 순도와 공정 안정성을 모두 향상시킵니다. 출발 물질에 관계없이 실제 제강 공정은 탈탄, 불순물 제거, 성분 제어와 같은 중요한 야금 반응이 최종 철강의 기본 특성을 결정하는 BOF 또는 EAF 내부에서 시작됩니다.
강철은 어떻게 만들어지나요?
현대 제철은 세 가지 주요 단계로 구성됩니다: 1차 제강, 2차 제강 및 주조/고형화. 이러한 요소를 종합하여 최종 철강 제품의 합금 프레임워크, 순도 수준 및 내부 구조가 결정됩니다.
1차 제강
1차 제강은 탄소, 실리콘, 인, 황 및 기타 불순물을 제거하면서 필요한 기본 화학 물질을 사용하여 뜨거운 금속 또는 스크랩을 용강으로 변환합니다. 이 단계에서 기본적인 합금의 틀이 만들어집니다.
광석 기반 경로에서는 기본 산소로(BOF) 고순도 산소를 사용하여 빠른 탈탄이 가능하므로 탄소강 및 저합금 등급을 생산하는 데 널리 사용되는 방법입니다.
스크랩 기반 경로에서는 전기 아크 퍼니스(EAF) 고온의 전기 아크를 통해 스크랩을 녹이고 유연한 합금 조정이 가능하여 스테인리스강 및 고합금 구성에 적합합니다.
직접 환원 철(DRI) 는 철광석을 고체 상태에서 천연가스 또는 수소로 환원하여 생산됩니다. 불순물 함량이 낮고 화학적 성질이 안정적이기 때문에 철강 순도와 공정 일관성을 향상시키기 위해 EAF 작업에서 고품질 철 공급원으로 자주 사용됩니다. 저탄소 야금의 부상과 함께 DRI + EAF 경로 가 빠르게 확장되고 있습니다.
2차 제강
1차 제강 후 용강은 정확한 기본 조성을 갖지만 낮은 함유량, 낮은 가스 수준 및 안정적인 기계적 특성을 달성하기 위해 추가 정제가 필요합니다. 2차 제강은 순도 제어와 성능 일관성을 위한 중요한 단계입니다.
일반적인 래들 야금 치료에는 다음이 포함됩니다. 탈산, 탈황, 가스 제거, 슬래그 정제 및 포집 엔지니어링. 이러한 공정을 통해 인성, 용접성 및 내피로성이 크게 향상됩니다.
이 단계에는 다음도 포함됩니다. 정밀한 합금 트리밍특정 기계적 및 응용 분야 요구 사항을 충족하기 위해 Cr, Ni, Mo, V, Nb와 같은 원소가 추가됩니다.
캐스팅 및 응고
정제된 용강은 일반적으로 다음을 통해 성형됩니다. 연속 캐스팅슬래브, 블룸 또는 빌릿을 형성합니다. 응고 공정은 밀도, 분리, 수축 거동, 입자 균일성 등 철강의 내부 품질을 결정합니다.
응고 후 강철은 다음과 같은 과정을 거칩니다. 열간 압연 또는 냉간 압연 를 사용하여 입자 구조를 개선하고 치수 정확도를 높이며 표면 품질을 향상시켜 제조 및 기계 가공에 사용할 수 있는 완제품 철강을 생산합니다.
주요 강철 유형
강철 등급은 일반적으로 크게 세 가지로 분류됩니다:
- 탄소강: 강도와 경도는 주로 탄소 함량에 의해 제어되며 구조 및 기계 응용 분야에 널리 사용됩니다.
- 합금강: 경화성, 내마모성 및 고온 성능을 향상시키기 위해 Cr, Ni, Mo, Mn, V 또는 기타 합금 원소를 함유하고 있습니다.
- 스테인리스 스틸: 최소 10.5%의 크롬을 함유하여 뛰어난 내식성을 제공하는 패시브 필름을 형성합니다.
강철 성능 특성
강철의 성능은 화학적 조성, 순도, 미세 구조, 응고 거동 및 후속 열처리에 의해 결정됩니다. 주요 엔지니어링 속성은 다음과 같습니다:
- 강인함과 강인함: 탄소 함량, 합금 및 열처리를 통해 광범위한 범위에서 조정이 가능하며 범용 및 고강도 구조 등급을 모두 지원합니다.
- 내마모성 및 경도: 탄소 함량, 경화성, 펄라이트 또는 마르텐사이트와 같은 미세 구조 단계와 밀접한 관련이 있습니다.
- 용접성 및 가공성: 공정 안정성과 제조 용이성에 영향을 미치는 황 및 인 수준, 내포물 형태 및 입자 크기에 영향을 받습니다.
- 내식성: 크롬, 니켈, 몰리브덴과 같은 합금 원소는 습도, 해양 조건 및 화학 물질 노출에 대한 내성을 크게 향상시킵니다.
이러한 특성 덕분에 강철은 다양한 하중과 환경에서 강도, 내구성, 예측 가능한 성능이 요구되는 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
강철의 응용 분야
강철은 강도, 연성, 제조 가능성 및 비용 효율성으로 인해 철강을 포함한 거의 모든 주요 산업 분야에서 사용되고 있습니다:
- 구조 엔지니어링: 보, 기둥, 교량 단면 및 압력 유지 구조물.
- 기계 부품: 샤프트, 기어, 플랜지, 커넥터 및 정밀 가공 부품.
- 교통편: 자동차 섀시, 조선 구조물, 철도 시스템, 중장비 운송 장비.
- 에너지 및 중공업: 풍력 터빈 프레임, 발전 부품, 고온 어셈블리, 석유 및 가스 장비.
- 강철 주물: 고강도 및 내충격성이 요구되는 펌프 하우징, 밸브 본체, 내마모성 부품, 브래킷 및 케이싱.
실제 엔지니어링에서 강재 선택은 필요한 성능, 제조 경로, 비용 목표, 최종 부품의 작동 환경에 따라 결정됩니다.
스틸에 대한 일반적인 질문
강철은 자성을 띠나요?
대부분의 탄소강과 저합금강은 미세 구조에 페라이트가 포함되어 있기 때문에 자성을 띠고 있습니다.
오스테나이트계 스테인리스강(예: 304 및 316)은 일반적으로 냉간 가공 및 상 변환의 양에 따라 비자성 또는 약한 자성을 띠게 됩니다.
강철은 녹이 슬나요?
예. 안정적인 패시브 필름을 형성하기에 충분한 크롬(≥10.5%)이 없으면 강철은 수분과 산소가 있으면 부식됩니다.
스테인리스 스틸은 산화크롬 수동층을 통해 녹에 강하지만 염화물이 많거나 고온 환경에서는 여전히 부식될 수 있습니다.
강철 100%는 순철인가요?
아니요. 순수 철은 엔지니어링 애플리케이션에 거의 사용되지 않습니다.
강철은 다음과 같이 구성된 복잡한 합금 시스템입니다. 철 + 탄소(0.02-2.1%) + 기타 합금 원소의 성능은 철분 함량에만 의존하는 것이 아니라 조성 설계, 순도 제어 및 금속 가공에 따라 달라집니다.
결론
제강은 고도로 통제된 야금 공정으로, 각 단계는 최종 재료의 품질, 순도 및 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
1차 제강에서는 기본적인 화학 성분을 정하고, 2차 제강에서는 탈산, 탈황, 탈기 및 내포물 제어를 통해 용강을 정제하며, 주조에서는 밀도, 분리 및 내부 건전성을 좌우하는 응고 구조를 결정합니다.
엔지니어와 제조업체는 철강이 어떻게 만들어지는지 이해하면 재료 선택, 주조 타당성, 열처리 계획 및 장기 성능 평가에 대한 강력한 기반을 마련할 수 있습니다. 강철 주조 프로젝트를 평가할 때 적절한 등급을 선택하고, 실행 가능한 주조 경로를 확인하고, 가공 또는 서비스 환경 요구 사항을 예측하는 것은 모두 이러한 야금 원리에 대한 명확한 이해에 달려 있습니다.
강철 주조 애플리케이션을 고려 중이라면 언제든지 도면을 업로드하거나 엔지니어링 팀에 문의하세요. 자료 추천, 프로세스 선택, 프로젝트에 맞는 상세한 DFM 평가를 통해 도움을 드릴 수 있습니다.
